Experimental Study on Unsteady Kinematics of Shrouded Multistage Axial Compressor Flow

Abstract

An experimental investigation has been conducted to identify the unsteady kinematics of shrouded stator of a low-speed multistage axial compressor. Unsteady velocity distributions have been measured at upstream and downstream of 3rd shrouded stator using single-element 45° slanted hot-wires. The data have been ensemble-averaged to obtain the timewise variation of velocity vectors upstream and downstream of the shrouded 3rd stator. The width and velocity disturbances of 3rd stator wake varied by the merge with 3rd rotor wakes. Between the two 3rd rotor wakes, a pseudo-wake region is observed, which is presumed to be created by the recirculation due to the negative jet of the 3rd rotor wakes. This velocity disturbance is attenuated by the viscous mixing and wake stretching as the 3rd wakes are transported downstream. Because of the velocity disturbances, the aerodynamic properties downstream of the stator blade vary. The hubside corner separation of the multistage shrouded stator alters the unsteady kinematics of the hubside shrouded stator flow. The attenuation of the wake is lower at the hubside due to the reduced effective passage width by the corner separation. In addition to this, this hub corner separation triggers the hubside positive radial movements at the upstream and downstream of hubside of the 3rd stator. This increases the timewise variation of the hubside aerodynamic properties, deviating the shrouded stator off from its designed flow condition further compared with the midspan region. Changing the operating conditions have affected the hubside unsteady flow structures. At near stall cases, the widths of wakes and hub corner separation are increased, but the hubside unsteady flow structure is qualitatively similar to that of the design cases. For the higher flow rate cases, the width and the magnitude of the corner separation are reduced, resulting in the disappearances of a positive radial movement inside the corner separation.

다단 압축기 슈라우드형 정익 허브의 유동 구조가 상단 동익 후류에 미치는 영향을 파악하기 위해 저속 4단 슈라우드형 축류 압축기의 3단 정익 상단 및 하단에서의 비정상 속도 분포를 핫와이어를 이용하여 최초로 측정하였다. 상단 동익 후류의 폭과 강도는 상단 정익 후류와의 상호작용으로 인해 변동한다. 두 동익 후류 사이에는, 동익 후류로 인해 생긴 순환류로 인해 동익 후류와 유사하게 보이는 유동 구조가 형성된다. 동익 후류로 인해 생긴 유동의 시간에 따른 변화는 유동의 점성과 후류의 늘어남으로 인해 완화된다. 다단 슈라우드형 정익의 허브 모서리 유동 박리는 정익 허브의 비정상 운동학에 영향을 준다. 유동 박리가 허브의 유효 면적을 줄여, 동익 후류의 완화를 억제한다. 또한, 유동 박리로 인해 슈라우드형 정익 상/하단에서 추가적인 반경방향 움직임이 형성된다. 이로 인해 동익 후류로 인한 유동의 시간에 따른 변화의 크기가 증가하여, 유동의 공력 성질이 시간에 따라 변하게 되며, 디자인 공력 조건에서 벗어난다. 압축기의 운전 조건을 바꿀 시 허브의 비정상 유동구조가 변화한다. 낮은 유량에서 운전했을 시, 후류와 모서리 유동 박리의 폭은 늘어나지만, 비정상 유동구조는 설계 운전조건에서의 경우와 정성적으로 동일하다. 높은 유량에서 운전했을 시, 모서리 유동 박리의 폭과 강도가 감소하여, 다른 운전 조건에서 보였던 모서리 박리 안에서의 반경방향 움직임이 사라진다.